Строение простых биоорганических молекул

Семинар 1.
Тема: Характеристика строения простых биомолекул

Строение простых биоорганических молекул
Основой для построения всех биоогранических молекул, входящих в состав живых организмов
является атом углерода (С).
Кроме атомов С в образовании молекул участвуют атомы кислорода (О), водорода (Н), азота (N),
фосфора (Р) и серы (S). Атом углерода, единственный из всех перечисленных элементов, способен
образовывать различные по строению структуры, соединяясь друг с другом за счет химических
связей:
Линейные структуры:  С С  С 
Разветвленные:  С  С С С

С
Циклические:
С
С
С
С
С
С
или
С
С
С
С
С
В своих соединениях углерод всегда имеет 4 связи. Это могут быть как одинарные или
насыщенные связи (С─С), так и двойные или ненасыщенные (С=С). Атом Н может давать только 1
связь Н , атом О две связи
Свойства органических молекул, участвующих в обмене веществ, определяются:
-
числом и расположением атомов в углеродном скелете молекулы,
-
природой функциональных групп, находящихся в молекуле,
-
природой связей между атомами С в молекуле.
Функциональная группа – это
группировка атомов в молекуле, придающая ей
характерные биохимические свойства.
Класс органической молекулы определяется по наличию в ней определенной функциональной
группы.
Основные функциональные группы и классы органических молекул
Функциональная Структурная
группа
формула
1.  CО 
R1 C  R2
(карбонильная)
Класс соединения
Примеры
Биохимическая роль
Кетоны
Ацетон
Продукт
СН3СОСН3
расщепления жиров

усиленного
O
2.  CНО 
R1  C  H
(альдегидная)

Альдегиды
Ацетальдегид Образуется при распаде
СН3СНО
этилового
CООН R1 C OH

(карбоксильная)
Кислоты

O
R1C OR2
4.  CОО 

(сложноэфирная)
O
R1H2COH
5.  ОН 
Сложные эфиры
Уксусная
Ключевое
СН3СООН
обмена веществ
соединение
Моноглицерид Продукт распада жира
Спирты
(оксисоединения)
(гидроксильная)
в
печени
O
3. 
спирта
Основа
Глицерин
нейтрального
жира в организме
СН2
СНСН2

R1CH2NH2
6.  NH2 


ОН
Амины
ОН
мембран клеток
(аминогруппа)
R1 SH
7.  SН 
ОН Образуется из серина,
участвует в образовании
Этаноламин
Тиосоединения
Цистеин
Аминокислота,
необходима для синтеза
белков
В живых организмах обнаружены молекулы сразу с несколькими разными функциональными
группами, играющими важную биохимическую роль. Тогда класс соединения образуется
объединением двух классов: кетоспирт, аминокислота, кето диамин гидроксикислота.
Характеристика органического соединения
1. Указать число атомов С в молекуле.
2. Определить строение каркаса: линейная, циклическая, гетероциклическая.
Линейная – цепь из атомов С не замкнута,
Циклическая – цепь замкнута,
Гетероциклическая – в образовании цикла участвуют другие атомы, кроме углерода (N,O,S)
3. Определить тип связей между атомами С: насыщенные, ненасыщенные.
Насыщенные – все связи между атомами углерода одинарные.(С-С)
Ненасыщенные – есть двойные связи между атомами углерода (С=С),
4. Определить функциональные группы в молекуле : какие и сколько.
5. Назвать класс биоорганической молекулы.
6. Указать название и функции в организме.
Например, молекула СН3-СО-СООН
1. 3 атома С.
2. линейная
3. насыщенные связи
4. кетогруппа-1, карбоксильная – 1
5. класс – кетокислота
6. пировиноградная кислота- образуется при распаде глюкозы, из нее в мышцах образуется
молочная кислота при скоростной кратковременной работе без кислорода.
Задание . Нарисовать структуры и разобрать 10 молекул разных классов из учебника по
предложенной схеме.
Семинар 2.
Тема: Строение и свойства ферментов.
Ферменты – это особый класс белков, ускоряющих химические реакции в клетке.
Их называют «биологические катализаторы». Живая клетка может содержать до 1000
различных ферментов. Они могут входить в состав клеточных структур (мембраны, митохондрии,
рибосомы, ядро и др.), создавать комплексы с другими ферментами и ускорять, таким образом, не
одну реакцию, а биохимический процесс, состоящий из множества реакций. В этом комплексе
ферментнов продукт (Р) одной реакции является субстратом(S), то есть исходным веществом
для следующей реакции. Запись биохимического процесса выглядет так:
S
M1
M2
…Mn
M3
P
Образующиеся при этом промежуточные соединения называются метаболитами (М). Отсутствие
даже одного фермента или какой-нибудь его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные
последствия для организма.
Простые и сложные ферменты
Ферменты делятся на простые и сложные. Простые ферменты состоят только из
белковой части (апофермента), в сложные, кроме апофермента (протеина) входит соединение
небелковой природы, называемое коферментом. Большинство ферментов относятся к сложным
белкам. Роль коферментов играют ионы металлов (Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+),
витамины, производные витаминов и некоторые другие вещества.
Таблица 3.
Некоторые коферменты и их функции
Витаминпредшественник
Кофермент
Общая роль
НАД+ , НАДФ+
Перенос
водорода Никотиновая кислота (электронов)
витамин РР
ФАД+
Перенос
водорода Рибофлавин - витамин
(электронов)
В2
Кофермент А (КоА)
Активация и перенос
Пантотеновая кислота
ацильных групп
Пиридоксальфосфат
Перенос аминогрупп
Пиридоксин - витамин
В6
Механизм действия ферментов
Первоначальным событием при действии фермента является образование ферментсубстратного комплекса (ЕS), где происходит специфическое связывание субстрата (S) с
ферментом (Е). Происходит это практически мгновенно в специальном участке молекулы
фермента – активном центре, который формируется из нескольких специфических радикалов
аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве. В этом состоянии
прочность связей в субстрате изменяется и легче протекает химическая реакция с образованием
комплекса продукта реакции с ферментом (ЕР). Комплекс «ЕР» неустойчив и распадается на
свободный фермент и продукт(см. рис 8). Новый субстрат снова может присоединяться к
ферменту. Поэтому, очень малое количество фермента может ускорить превращение большого
количества субстрата.
Рис. 8 Схема ферментативной реакции
Свойства ферментов
Ферменты отличаются от других катализаторов тремя уникальными свойствами:



высокой эффективностью действия;
специфичностью действия;
способностью к регуляции;
1.
Высокая эффективность действия. Фермент-субстратный комплекс ЕS имеет
значительно меньшую энергию, чем энергия переходное состояния, а так как скорость реакции
сильно зависит от энергии переходного состояния, то снижение этой энергии приводит к
возрастанию скорости реакции в105 – 106 раз.
2. Специфичность – это избирательность фермента по отношению к субстрату, Таким образом
фермент ускоряет только одну реакцию, или несколько сходных химических реакций. Это
объясняется строением активного центра. Его конфигурация в пространстве повторяет форму
своего субстрата по типу «ключ – замок». В сложных ферментах для формирования активного
центра необходимы коферменты.
продукт
3.Способность к регуляции. Регуляция активности ферментов осуществляется гормонами,
субстратами, конечными продуктами и другими регуляторами. Вещества, ускоряющие реакцию
называются активаторами, а вещества замедляющие ферментативную реакцию называются
ингибиторами. Чаще всего активаторами ферментов являются катионы Мg2+, Мn2+, Zn2+, К+ и
Со2+, а из анионов — С1-. Катионы действуют на ферменты по-разному. В одних случаях они
облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в других — способствуют
присоединению кофермента к апоферменту.
4.Фермент ускоряет как прямую, так и обратную реакцию.
5.Скорость химической реакции возрастает с увеличением количества субстрата до некоторого
предела. Это момент насыщения фермента субстратом.
6. Влияние температуры. С ростом температуры активность фермента сначала возрастает, а
после 50о чаще всего падает, так как при высоких температурах происходит разрушение
пространственной структуры молекулы фермента (денатурация), в том числе нарушается и
конфигурация активного центра..
7. Влияние рН. Каждый фермент имеет свое оптимальное значение рН при котором проявляет
максимальную активность. Сдвиг рН в любую сторону приводит к уменьшению скорости
реакции.
Таблица 4
Оптимальные значения рН для некоторых ферментов
Название фермента
Пепсин
Липаза
Оптимум рН
1,5-2,5
4,7-5,0
Реакция
гидролиз белка
гидролиз жиров
Уреаза
Аргиназа
Трипсин
7,0
9,5-9,9
7,8
гидролиз мочевины
гидролиз аргинина
гидролиз белка
Номенклатура и классификация ферментов
Ферменты делятся на 6 классов в зависимости от типа катализируемой реакции.
1.Оксидоредуктазы
ускоряют окислительно-восстановительные реакции, т.е. реакции
переноса Н, О, или электронов (е). Делятся на подклассы:
- дегидрогеназы, переносят атомы Н.
Работают вместе с переносчиками водорода
НАДН2,(никотинамиддинуклеотид,
получается
из
витамина
РР)
или
ФАДН2
флавинадениндинуклеотид, получается из витамина В2 ).
RH2 + HAД = R + HAДH2 ,
RH2 + ФAД = R + ФAДH2
- оксидазы, катализируют перенос водорода с субстрата на кислород:
RH2 + ½ O2 = R + H2 O
- цитохромы, ускоряют перенос электронов. Для их работы необходимы атомы железа или
меди.
2.Трансферазы ускоряют перенос различных атомных групп с одной молекулы на другую:
фосфотрансферазы переносят группу - HРО3
ацилтрансферазы переносят остаток кислоты – RC=O
аминотрансферазы переносят аминогруппу - NH2
HRC=O + HR1- NH2 = HR NH2 + HR2C=O
3.Гидролазы ускоряют реакции гидролиза – распада соединений с участием воды (Н –ОН),
которая присоединяется по месту разрыва связи. Гидролизом расщепляются белки, жиры,
полисахариды (углеводы) в кишечнике и в клетках.
RCOOR1 + H-OH = RCOOH + R1OH
4.Лиазы ускоряют распад веществ без участия воды , но с выделением СО2, Н2О или NH3, а также
реакции присоединения по двойным связям.
RCO- COOH = RCO-H + CO2
5.Изомеразы катализируют процессы внутримолекулярных перестановок, при этом образуется
изомер субстрата, имеющий ту же химическую формулу, но другое строение.
6.Лигазы или синтетазы катализируют реакции синтеза новых соединений за счет энергии АТФ.
При этом АТФ распадается на АДФ и АМФ.
Название ферментов по систематической номенклатуре составляется из:
 названия субстрата (субстратов),
 подкласса катализируемой реакции,
 окончания «аза»
Например: лактатдегидрогеназа, ксантиноксидаза, глутаматпируватаминотрансфераза.
Задание
1. Изобразите графически свойства ферментов 5, 6, 7. По оси у – активность фермента (скорость
ферментативной реакции), по оси х - влияющий параметр.
2. Выпишите из учебника по 2 примера на каждый класс фермента. Приведите название фермента
по систематической номенклатуре.
3. Что вы знаете об использовании ферментов в медицине, спорте и других областях.
4. В чем заключается коферментная роль витаминов и микроэлементов. Приведите примеры
Семинар 3.
Тема: Регуляция активности ферментов
Все химические реакции в клетке (организме) протекают четко и слаженно, быстро и точно
реагируя на внешние воздействия, сдвиги во внутренней среде, изменения в обмене веществ.
Регуляция обменных процессов осуществляется нервной и гормональной системами, а также
системой автоматической внутриклеточной регуляции, главный принцип которой –
избирательное изменение скорости ферментативной реакции.
Среди многих ферментов, обеспечивающих протекание того или иного метаболического
процесса, только некоторые играют ключевую роль в регуляции. Это, как правило, ферменты
одной из начальных стадий цепи превращений, обязательно необратимой. Часто регуляторной
функцией наделены также ферменты, находящиеся в точках разветвления метаболических путей.
Кроме того, регуляторные ферменты, как правило, катализируют самые медленные
(лимитирующие) стадии метаболического пути. Активность ферментов в этих ключевых точках
определяет скорость метаболизма и может изменяться в основном тремя способами:
 Аллостерическая модификация ключевых ферментов,
 Ковалентная модификация ферментов
 Изменение количества ферментов
Аллостерическая модификация ключевых ферментов позволяет получить немедленный
ответ клетки на изменение условий среды, связанный с изменением концентрации регуляторов
(активаторов или ингибиторов). Аллостерический регулятор присоединяется к молекуле фермента
в определенном месте (аллостерическом центре) за счет нековалентных связей. При этом
происходит изменение третичной структуры фермента и его активности. В простейших
саморегулирующихся системах увеличение концентрации конечного продукта подавляет его
синтез, например синтез нуклеотидов. АТФ ингибирует регуляторный фермент цикла Кребса
(дегидрогеназу изолимонной кислоты). Избыток субстрата увеличивает активность, ферментов,
выступая в качестве активатора. Поэтому в практике спорта, вводят дополнительно продукты
цикла Кребса: лимонную, янтарную, яблочную кислоты для усиления энергопродукции.
Аллостерическая модификация ферментов является основным способом срочной регуляции
метаболических путей.
Ковалентная модификация ферментов осуществляется часто за счет системы
вторичных посредников, вызывающих цепь каскадных реакций, заканчивающихся
фосфорилированием белков-ферментов. При этом происходит изменение активности
фермента. Наиболее распространенным и хорошо изученным вторичным посредником является
циклический 3’,5’-аденозинмонофосфат (цАМФ):
Образование цAMФ происходит под влиянием пептидных гормонов (глюкагон, адреналина).
Связывание гормона с рецептором активирует фермент аденилатциклазу и ведет к повышению
внутриклеточной концентрации цAMФ, который активирует протеинкиназу, фосфорилирующую
белки. Наличие каскада ферментативных реакций между связыванием гормона с рецептором и
изменением метаболизма позволяет значительно усилить воздействие гормона. Ковалентная
модификация ферментов также относится к механизмам срочной регуляции, способным
изменить скорость обменных процессов в организме в считанные секунды, или минуты.
Изменение количества ферментов происходит под воздействием стероидных гормонов,
механизм действия которых не связан с сАМФ. Стероидные гормоны (тестостерон, кортизол,)
являются веществами гидрофобного характера. Они легко преодолевают фосфолипидный барьер
мембран и попадают в цитоплазму клетки, где связываются с цитоплазматическими
рецепторами. Образующийся комплекс гормон-рецептор перемещается в ядро, и ускоряет или
замедляет транскрипцию (синтез РНК) определенных генов. Таким образом, эти гормоны
регулируют метаболические процессы, изменяя скорость биосинтеза ключевых ферментов.
Механизм изменения количества ферментов относится к медленным, для проявления его
регулирующего влияния требуется несколько часов или дней..
Рассмотренные механизмы регуляции обменных процессов лежат в том числе и в основе
биохимической адаптации организма к физическим нагрузкам.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие механизмы регуляции наиболее быстрые?
2. Какова роль ц-АМФ в регуляции активности ферментов?
3. Чем различаются механизмы действия пептидных и стероидных гормонов?
4. Что лежит в основе адаптации организма к физическим нагрузкам?
5.
В чем состоит принцип аллостерической регуляции активности ферментов?
Семинар 4.
Тема: Реакции цикла Кребса и их энергетический эффект
Цикл Кребса – центральный процесс катаболизма веществ в организме. Протекает в
митохондриях клеток. За один цикл происходит полное окисление одной молекулы уксусной
кислоты и восстанавливается 1 молекула ЩУК (щавелевоуксусной кислоты), снова участвующей
в 1 реакции цикла. Цикл Кребса состоит из 8 реакций.
Задание.
Пользуясь учебником выпишите реакции цикла Кребса и заполните таблицу 1. для
расчета энергетического эффекта. При расчете надо учитывать, что 1 молекула НАДН2
обеспечивает синтез 3 молекул АТФ на внутренней мембране митохондрий, а 1 молекула ФАДН2
- 2 молекул АТФ. ГТФ может в реакции субстратного фосфорилирования использоваться для
синтеза АТФ по реакции:
ГТФ + АДФ = ГДФ + АТФ
Таблица 1
Энергетический эффект цикла Кребса
Номер
реакции
субстраты
СО2
Количество молекул продуктов
НАДН2
ФАДН2
ГТФ
АТФ
Всего:
Вывод:
Примечание: В таблицу записываем реакции в которых образуются соединения, включенные в
таблицу и обеспечивающие энергией синтез АТФ. Поэтому субстраты для этих реакций входят в
состав в спортивных напитков.
Ответьте на вопросы
1. В каких клеточных структурах протекает цикл Кребса и каково его значение.
2. На каком этапе энергетического обмена протекает аэробный синтез АТФ. Как называется этот
процесс?
3.Зачем человек дышит?
4. Какие реакции биологического окисления осуществляются в реакциях цикла Кребса, а какие в
тканевом дыхании.
5. Как изменится энергетический обмен при физических нагрузках?.
6. Сколько молекул АТФ образуется, если при окислении пальмитиновой кислоты образуется 8
молекул Ацетил SКоА
7. Как повлияет гипоксия на энергетический обмен?
8. Почему тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование называют сопряженными
процессами.
9. Какие этапы энергетического обмена протекают в митоходриях клеток.
10. Какой этап заканчивается образованием активной формы уксусной кислоты
Семинар 5
Тема: Азотистый баланс
На долю аминокислот приходится более 95% всего азота организма. Поэтому состояние
аминокислотного и белкового обмена оценивают по азотистому балансу.
Он рассчитывается как разница между количеством азота, поступающего с пищей - Nп и количеством
выделяемого азота - Nв ,главным образом в составе мочевины:
Азотистый баланс = Nп- Nв
У взрослого человека при нормальном питании имеет место азотистое равновесие (Nп = Nв), т.е.
количество поступающего азота с пищей равно количеству выделяемого азота.
В период роста организма, во время выздоровления, в период отдыха после длительной физической
нагрузки азота выводится меньше, чем поступает (Nп Nв) - положительный азотистый баланс. При
этом часть аминокислот задерживается в организме, включаясь в состав белков и клеточных структур и
общая масса белков в организме увеличивается.
При старении, голодании и во время истощающей болезни азота выводится больше, чем поступает
(Nп Nв) - наблюдается отрицательный азотистый баланс. В этом случае распад белков преобладает
над из синтезом и общая масса белков в организме уменьшается. Если из питания исключить все белки,
но сохранить углеводы и жиры в количествах, обеспечивающих энергетические потребности организма,
то количество выводимого азота установится около 4г в сутки, что соответствует 25г белка. Значит
ежедневно организм расщепляет 25 г белка (или аминокислот) собственных тканей для обеспечения
необходимых синтезов аминокислотами. Такой же результат наблюдается при исключении из питания
только незаменимых аминокислот. При полном голодании отрицательный азотистый баланс еще больше.
Белки используются уже и для энергетических целей.
Минимальное количество белков, необходимое для поддержания азотистого равновесия равно 3050г в сутки. Но для обеспечения оптимального здоровья и работоспособности нужно больше, около 100 г
при средней физической нагрузке.
В практике биохимии спорта уровень мочевины крови является критерием завершения
восстановительных процессов после тренировки. Если утром после тренировки мочевина крови больше
нормы, значит процесс распада белков преобладает над их синтезом (отрицательный азотистый баланс),
Мочевина в норме - процессы восстановления завершены (азотистое равновесие).
Аминокислоты
Заменимые - могут синтезироваться в организме из глюкозы:
аланин, глицин, серин, аспарагиновая, аспарагин, глутаминовая, глутамин, пролин аргинин,
гистидин,
Незаменимые- не могут синтезироваться в организме человека, должны поступать с пищей:
гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, тирозин, треонин, триптофан,
валин.
H3C
CH
CH2
CH
COOH
NH2
H3C
изолейцин
Í Î
CH2
CH
COOH
NH2
тирозин
По химической структуре различают семь групп аминокислот:
1. алифатические (содержат радикалы в которых могут быть атомы Н или группы СН2,или СН3 )
2. оксиаминокислоты (содержат группу ОН)
3. дикарбоновые амиокислоты и их амиды
4. двуосновные аминокислоты
5. ароматические
6. серусодержащие аминокислоты
7. иминокислоты (NH)
Важнейшие белки организма и их функции
1. Гемоглобин - транспорт кислорода в крови
2. Миоглобин - транспорт кислорода в мышцах
3. Инсулин - гормон поджелудочной железы, понижает сахар крови, активирует синтез белков.
4. Миозин и актин - совратительные белки мышц.
5. Амилаза - фермент, расщепляющий крахмал пищи
6. Пепсин - фермент желудочного сока, расщепляющий белки пищи
7. Цитохромы - ферменты тканевого дыхания, переносят электроны на кислород
8. Гаммаглобулины - защитные белки крови, входят в систему иммунитета
Биологическое значение аминокислот
1. Входят в состав белков организма человека
2. Входят в состав пептидов организма человека
3. Из аминокислот образуются биологически активные вещества:
4. Часть гормонов в организме - это производные аминокислот(тироксин, адреналин)
5. Являются предшественниками азотистых оснований для нуклеиновых кислот
6. Предшественники порфиринов для синтеза гема (гемоглобин, миоглобин)
7. Предшественники азотистых оснований для сложных липидов
8. Участвуют в биосинтезе медиаторов нервной системы (ацетилхолин, дофамин, серотонин)
Задание
1. Выпишите формулы 6-7 аминокислот и определите к какой группе они относятся
2. Постройте из этих аминокислот ди, три и тетра пептиды и назовите их.
3. Запишите реакции декарбоксилирования для 2 аминокислот по схеме:
NH2-CHR-COOH
= CO2 + NH2 - CH2R
4. Запишите, что образуется при их окислительном дезаминировании
Семинар 6
Тема: Значение обмена углеводов для спортсменов
На семинаре совместно с преподавателем студенты выполняют задания по теме, пользуясь
учебником Проскуриной «Биохимия». В конце занятия проводится обсуждение и закрепляются
полученные знания.
Задания
1. Строение и функции структурных гетерополисахаридов, таких как хондроитинсульфат,
гиалуроновая кислота и гепарин (стр. 81)
2. Дайте определение гликолиза. Нарисуйте структуры 6 молекул, образующихся в ходе гликолиза
и укажите их название. В каких реакциях они являются субстратами, или продуктами. (с. 86)
3. Выпишите какое значение имеет гликолиз для спортсменов (с. 176)
4. Заполните таблицу для расчета энергетического эффекта полного окисления глюкозы до
углекислого газа и воды :
номер Название биохимического
процесса
1.
Гликолиз
2.
Окислительное
декарбоксилирование ПВК
3.
Цикл Кребса
Название и количество
субстратов для синтеза
АТФ
Количество АТФ
Всего АТФ
Вопросы для контроля:
1. Каково значение гиалуроновой кислоты для спортсменов?
2. Почему хондроитинсульфат называют гетерополисахаридом?
3. Для чего спортсмены применяют гепариновую мазь?
4. В состав каких соединений входит глюкуроновая кислота?
5. Какое соединение входит в состав синовиальной жидкости суставов?
6. На какие этапы делится гликолиз, сколько реакций в каждом этапе?.
7. На каких дистанциях бега гликолиз является основным источником энергии?
8. Сравните энергетический эффект гликолиза и аэробного окисления глюкозы. Сделайте вывод?
9. Как изменится потребность спортсменов в углеводах на сборах в горах? Почему?
Фармакологические препараты
1. Хондроитинсульфат-мазь
2. Терафлекс